（光学工程专业论文）发动机台架试验测控系统设计.pdf

摘要 随着科技的发展，科研、生产对发动机测试的鬻求越来越高。发动机台架试验是发动机性能 测试的主要手段，其自动化水平、测控精度直接影响着发动机的科研和生产。 零文详尽论述了发动机台架试骏测控系统豹设诗过程。介绍了虚拟搜器概念翱l a b y l e w 语离 豹特蠡，添述了系绫麴关键硬韩设计巍溺控软终黪拜发。 本文在综合评j 爿i 了国内外发动机台架试验系绕的发展现状蒸础上，利用虚拟仪器技术对实验 室的发动机台架进行了改造。结台实验室的原有设备，采用了多功能数据采集卡( d a q ) 和图形 化编稷语言l a b v i e w ，开发了一套发动机台架试黢测控系统。 该系统县存夔姆| ! l 每人撬器瑟，麓够竞藏各璞发豹辊掌援性糍试验，其各自韵凳袋发动规套絮 试验酶工况调整、数据采集、显示、记录和绘制图表等功能+ 采耀数字p i d 控铷器能够达到祷确 控制，并将网络技术成用到系统中，实现了系统的远程测控功能。 关键词：发动机台架，虚拟仪器，铡控系统 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n d u s t r i a lp r o g r e s s i o n ，t h e r ei n e v i t a b l yc o m e st h eh i g h e rs t a n d a r df o re n g i n et e s t i n g t oa c c o m m o d a t e t h en e e d so f m a n u f a c t u r e r s a s w e l la sr e s e a r c h e r s t h e m a j o r e q u i p m e n t f o r t e s t i n g t h e e n g i n e si se n g i n et e s t - b e d ，t h el e v e lo f w h i c h , i nt e r m so f a u t o m a t i s ma n dp r e c i s i o n ，h a sai m m e d i a t e i n f l u e n c eu p o nt h em a n u f a c t o r i n ga n dr e s e a r c h i n go f c n g l n e s 。 t h ew h o l ed e s i g n i n go ft h et e s t - b e di st h o r o u g h l ye l u c i d a t e di nt h et e x t , w i t ht h ec o n c e p t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n ta n dl a b v i ew a n da l s ot h ek e yh a r d w a r ea n ds o m v a t co ft h es y s t e m w i l l lav i e wo nt h ew h o l eo v e rt h ec u r r e n tl e v e lo f t h ei n t e r n a t i o n a l l yp r o d u c e dt e s t - b e di nt h et e x t i ta l s oi n t r o d u c e st h ei d e ao fr e f o r m i n gt h el a bt e s t - b e dw i t hv i r t u a li n s t r u m e n t 。a n da l s o ，t o g e t h e r w i mt h ee x i s t i n ge q u i p m e n ta v a i l a b l ei nt h el a b 。am e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t - b e di s d e v e l o p e dw i t hd a qa n dl a b v i e w t h es y s t e md e v e l o pi nt h et e x tf e a t u r e sw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e t h ec a p a b i l i t yo f a l lk i n d so f r e g u l a r e n t i t l et e s t i n g ，a u t o m a t i cf l e x i b i l i t yu n d e ra l lc i r c u m s t a n c e so f r u n n i n g , d a t aa c q u i r ea n dd i s p l a y , r e c o r d a sw e l la sd r a w i n g w i t ht h ed i g i t a lp i de m b e d d e di n t ot h es y s t e mt oa c h i e v ep r e c i s ec o n t r 0 1 a n da l s o t h ea p p l i c a t i o no ft h en e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h es y s t e mp e r f o r m st h ef u n o t i o no fr e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 k e y w o r d ：e n g i n et e s t b e d ，v i r t u a li n s t m m e n t ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 攮要 随着科技的发展，科研、生产对发动机测试的要求越来越商。发动机台架试验是发动机性能 测试的主要手段，其自动化水平、测控精度直接影响着发动机的科研和生产。 本文详尽论述了发动机台架试验测控系统豹设计过程。介缁了虚扭仪器概念秘l a b v i e w 语离 鲍幸謦蕊，耀述了系统的关键疆孝 浚计帮测控较辞鲮歼发。 本文在综合评述了国内外发动机台架试验系统的发展现状基础上，利用虚拟仪器技术对实验 室的发动机台架进行了改造。结台实验室的原有设备，采用了多功能数据采集卡( d a q ) 和图形 化缡程语言l a b v i e w ，开发了一套发动机台架试黢测控系统。 该系统具有鑫孵豹a 援赛囊，蕤够完袋各瑗发凌撬掌援搜麓试验，其冬垒动竞袋发动蔽套絮 试验的工况调整、数据采集、显示、记录和绘制圈表等功能+ 采粥数字p i d 控制嚣能够这到耱确 控制，并将网络技术应用到系统中，实现了系统的远程测控功能。 关键词：发动机台架，虚拟仪器，测控系统 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n d u s t r i a lp r o g r e s s i o n ，t h e mi n e v i t a b l yc o m e st h eh i g h e rs t a n d a r df o re n g i n et e s t i n g t oa c c o m m o d a t et h en e e d so f m a n u f a c t u r e r sa sw e l la sr e s e a r c h e r s t h em a j o re q u i p m e n tf o rt e s t i n gt h e e n g i n e si se n g i n et e s t - b e d ，t h el e v e lo f w h i c h ，i nt e r m so f a u t o m a t i s ma n d p r e c i s i o n ，h a sai m m e d i a t e i n f l u e n c eu p o nt h em a n u f a c t u r i n ga n dr e s e a r c h i n go f e n g i n e s 。 t h ew h o l ed e s i g n i n go ft h et e s t - b e di st h o r o u g h l ye l u c i d a t e di nt h et e x t , w i t ht h ec o n c e p t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n ta n dl a b v i ew a n da l s ot h ek e yh a r d w a r ea n ds o l f w a r eo ft h es y s t e m w i t hav i e wo nt h ew h o l eo v e rt h ec u r r e n tl e v e lo f t h ei n t e r n a t i o n a l l yp r o d u c e dt e s t - b e di nt h et e x t ， i ta l s oi n t r o d u c e st h ei d e ao fr e f o m g n gt h el a bt e a t - b e dw 疆lv i r t u a li n s t r u m e n t a n da l s o 。t o g e t h e r w i t ht h ee x i s t i n ge q u i p m e n ta v a i l a b l ei nt h el a b ，am e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t - b e di s d e v e l o p e dw i t i ld a qa n dl a b v i e w t h es y s t e md e v e l o pi nt h et e x tf e a t u r e sw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e ，t h ec a p a b i l i t yo f a l lk i n d so f r e g n l a r e n g i n et e s t i n g ，a u t o m a t i cf l e x i b i l i t yu n d e ra l lc i r c u m s t a n c e so f r u n n i n g , d a t aa c q u i r ea n dd i s p l a y , m e o r d a sw e l la sd r a w i n g ，w i t ht h ed i g i t a lp i de m b e d d e di n t ot h es y s t e mt oa c h i e v ep r e c i s ec o n t r o l ，a n da l s o t h ea p p l i c a t i o no ft h en e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h es y s t e mp e r f o r m st h ef u n c t i o no fr e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 。 k e y r o r d ：酗g i n et e s t b e d ，v i r t u a lb s t m m e n t ，m e a s u r e m e n ta n dc o n l r o ls y s t e m 独创性声踊 本人声明艇呈交的论文蹩我个人谯嚣师搬导下避抒的研究工悔放取褥赡硬嶷戏 浆。尽我所靛，豫了文串特剐热鼓掭淀耨狻谢漪遣方辂，论文中不趣禽箕缝人已经发 寝或撰写遥盼磷究艘祭，也不氇含为获褥中嚣农盗大学藏萁窀簸窘瓿褥麓学餐袋滋零 褥旋鞠逑静妻巷辩。与我一礴工体的翮惑瓣零研究所骰瓣任何薅献均已衽论文中作了鞠 确的说明算袈示了谢意。 磷究生美黧； x 参 时蔺：o 群# 年g 用， 舀 关子论文使用授权韵说稿 本a 完垒了锯中鬣农媲大攀毒关攥罄、使疆学袋稔文戆援定，颦；学蔽骞搜舔馨 送交论文的复印传和磁盘，允诲论文被煮阅和借阅，w 以采用影印、缩印或 薯撼等复 溅手黢僳存、窿壤学爱谂文+ 弱意孛篱袋攮夫学霹淡髑不嚣方蔑袭不潞藻蒋主袭滚， 传播学位论文f 勺全部域部分内容。 霸 密熬攀辍逡文在麟潦瓣枣遂潜就褥议 研究搬签名： 导彰整高： 衫参 榭 时间：玉旃石月，喇 对鬻：耐车秀f 嚣 中国农业大学礤叶一学位论文 第一帮绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 发动机测试技术的高低悬衡量汽车工业现代程度的一个重要标志，汽率工业水平的发展离不 开发动机测试技术的提高。其中，作为发动机最基本的试骏平台发动机试验台架的鹰用与发 震对发动枧器蕈孛性8 l 参数瓣测量有著至关璧簧爨意义。 发动辘裔絮试验设备是逃行性能试验必不可少豹装备”，其东平高低赢接影响到裁蠢如实反 映发动机的性能，能否提供发动机设计和改进的依据，它跗提高发动机的性能和质量居较麓要的 位置。为了能严格控制试验条件并按照国家标准规定进行测试，尽量模拟发动机在实际使用下的 各静工嚣，发游辊试验逶鬻帮在试验台絮上避行，矮子测试发动撬熬各秘瞧戆。巅遥测褥靛参薰， 绘制出发动机的各种特性曲线可对发动机拯机运行状态与调整方向有个了解，进而对发动机 进行适当的调熬或改进设计发动机台架试验是用科学试骏的方法来揭示发动机内部的变化规律 找出其动力性、经济性、可靠性、耐久性等1 生能的途径“1 。在发动机的开发、研制、生产和使用 麴过程中，发动撬台蘩试骏强苇对予发动瓿立论、设违裁逑瓶产晶、硬究积握毫发动撬及蔟零邦 件豹性能以及正确地指导生产、维修和使用都具有十分重疆的意义。新产品、新工艺、新材料的 应用在经过理论计算后，必须通过各种试验掇供可靠的科学依据来分析和验证。在设计发动机时， 通过试验可以为设计计算掇供必要的原始数据，并能验证计簿的正确性。在案造对通过试验可以 检验整税的魏翡鞠翻造囊氯，菸提供糖导童声懿猿器。在镑壤薛，透遘试赣霹戬译定维修静完善 程度及动力性、经济性的饿燕情况。此外，迸可以根据试验结果台理的选用和正确的使用发动机， 使其工作在最佳状态。 目前的试验任务不仅要好震一般性熊试骏与耐久性试骏掰要求的常规钡l 薰与控制，瓣显要开 展菝动、臻声、撬槭强度、燃浇、漏气鲎、爝度等测量璎强，应胡研究等技术革巍任务辩试验的 要求更是五税八门。但传统的发动机台架试验功能单一，测试效率低，缺麓统一的数据处理系统。 不同厂家生产的设备有不同的数据记录格式，无论是软件弼是硬件都不兼容，因此不能共窄软硬 搏资源。产熊嚣发周期欧，凝鍪势缀能力及扩震。睦差，鬟炭劳动较多，造戏了较太的瓷滚滚费。 而且各检测设备独立一i j 作，由于未能扶系统臻度开展综含测拄，往褥试验数据无法有效蟪利用， 严重制约了论证、研制、使用、维修水平的提高。 作为通用实验室必须通过有限台架的冗众设计，通过测拽系统昀自适成与可扩充来适应不同 发动极、不瓣髓臻任务的震甏，实襞系统综合捡溅与控期，嶷瑷各摹孛发动撬辩规试验( 魏岁 特牲、 负荷特性、拥速性等) 的垒自动铡控“，支持多台架、多系统著行工作。而原有的发动机试验系 统存在诸多缺陷：测控参数少、仪表规模庞大、系统性差、数据置信度低和自动化程度低等问题， 已无法适应掰型发动机的试验的要求。 隧羞戆衾对汽车誊戆、接藏控爱等要求豹嚣益捷毫，辩发穗撬魏懂麓参数要求龟越来越严格”1 这就要求内燃机制造企业与有关检测机构科研院，尤其是研制单位，改进辫= 开发新的发动机台架 测试技术，得到精度更高的测试数据，以适应现代测试技术发展的需求，使国产的发动机台架试验 中国农业大学硕士学位论文 第一章鳍论 设锫技术水平接近戏超越发达国家同类产品的水平 而现代电控技术、增压技术的发展，尤其是计 冀撬馥广泛霞叠j | ，灸内燃辊试验宙粱静舞发霸研剁裁迄了条昝将诗篝瓿弱燕技零褒爰子试赣菠 备中。建成试验数据采集藕箍理黎统，撤弱全鲁动耗台絮佳撬试验，使之清足襞渤橇鉴定试验对 试骏过程和测量精腱的严格要求。 为此，在目前计簿机控制技术迅速发展韵形势下，开发先进的测试手段和方法，利用现有的 菱穗枕套桨嚣试资源每成本较惫蒜酌耱爨设备，缘成一套较完繁照驽葫铯程度舞瓣溺蓑系缝，实 孺商懂馋眈的技术躲决方案，提商经济效益，是一项较有意义酌辑究课题。 ，2 发动枧测憾技零豹发蕊状提 1 2 1 测试仪器的发展 檄援灏试搜褡所袋翅鼓术翦惫遴程度，可戳将其分舞碧茕产鼹，帮摸援霰器、努立元僚莰嚣、 数字化仪器和智能仪器”1 。 棉一代测试仪器是模拟仪器，邀种仪器仪表謦今仍在各个场含被广泛使用潜是以电磁感成 基零定律为基礁懿措孽 式役表，期拯钟式电压袭、匙流表，功率计以及模拟示波嚣，扫频搜等 些通麓瓣试铰器，均避典型鹣模攒式设器靛表。忿髓戆蒋点是臻掏簿革，或零较低，彝于黎护， 适合予对精度要求不商的场所。 擀二代测试仪器是分立元件仪器。当2 0 世纪5 0 年代出现电予管、6 0 年代出现端体管时，便产 生了馘毫子管或晶体管电子电路为蕊破懿第二设攒l 试投器。 籍三代测试议器楚数享证搜瓣。娃集成电路为綦疆，籍模擞嵇垮瓣溅量转纯为鼗字痿号灏溅 量，并以数字方式输出最终结，宙典有较模拟式仪器为高的测最精度和响应速艘。这类仪器目前 相当普及，如数字峨胝表、数字频率计等。 第强霞溪凌役箍称舞智轻搜嚣。蛰缝健器鼓徽奄子嚣箨我替嚣娥邀子缓鼹，辍徽楚理器巍棱 心，懿有信意采藏、髭示、楚璎获饶亿控薷等功能。 目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测 拽技术与计算机深层次的结雉引起测试仪器 领域的一场新豹革命，静全新的仪器结构概念静致了虚拟仪器的出现，它是计簿机技术、通倍 技求帮溅量整末鞠缝合耱产蘩，是搀统寝器嚣念黪一次基夫变革，楚谈嚣产鼗羧震船一个重要磐 向。它的出现使得人类的测试技术避入了一个黼的发展纪元。 1 。2 。2 发魂鞔测试技本麴发展璇拔”州” 发动机试验过褓中，需要测量多个 日关参数，例蛳：压力、灞鹰、转速、辅矩、功率、燃浦糙 簿。黢个发动机台架试验装置完套作为一个集中的测控系统，而且熄个多点采集的控制系统。测试 过穗孛艨拜a 虽要怼蛋矮参数进行黢控，照对调整工嚣，著旦需要程稠应豹对鞠记最蚤煮羽l 试熬参 数镶，系统麓参数较多，需要频繁邀记录帮谣节 早期的发动机试验台架的自勘化程度较低，大多采用自动检测和手动控制拥结合的方法进行 2 中图农业大学硕士学位论文 第一章绪论 鼍舅懒鼎舅寡詈曼苎曼量蜷燃齄皇曼! 量笪曼磷躺燃麓曼鼍皇蔓墨量群糕懋篡鼍皇皇鼍攀嬲烹鼍! 曼量曼墨黑黑黑暑曼墨曼墨墨_ 目_ 墨 测控。在测控过程中需要控制发动机的转速和扭矩，一般由人工手动调节油门威电流的给定德以 达到分剃控翻转速誉l 搬矩的珏弱，势戴在试验过程中蔫要工 # 人爨作楣斑豹记录，投大地渡费了入 力物力。而且不可赚免墟引入人为谟差，测控静鞲藏不高，实对梭麓，已经不稚满足现阶段发袋的 要求。 随着微电子技术暑【i 计算机技术的迅速发展，发动机测控技术也在不断进步，微机化的测控系 统墨越来越多建瘦矮子发动枫领域。我类系统要袋链够摄据翅声貔曩求叁动调熬发动规豹工熬， 应掰较为先进的控制算法实现最德控巷以并将其稽发控制在一定的范围之内，同时完成数据采集、 显承、记录、数据处理和试验曲线绘制等，可以实时监测跟踪试验过程中发动机备性能参数的变化， 自动数据存盘及打印输出数据和性能曲线，直到完成所有试验内释，从而实现发动机测试的全自渤 证。癜攘纹器鼓拳麓上整纪年莰规被提出蒡嚣避实蕊懿，在发凌辊台桨试验铡鬟控睾l 系统中墩 逐渐得到了应用。 目前，我国程测试仪器的开发中广泛应用了计算机技术，许多新开发的测试仪器都采用了 微机娥单片规控制累统，智能化理发不断提高。麟内离等院校和科研机构对于威用激光技术研究 敷蠢凌象弱溺试技求疆究发震攘俊，瓣斌方垂毽瓣趋或熬。牮串疆王大学痘瑙糍速摄影帮澈光全 息技术研究柴油喷雾场，并检验了l d v 测量中t i 如散射粒子的跟随性；江苏工学院应用l d v 对浆油 机涡流室内流场进行实测，用计弊机和高速数据采集系统采集和处理实验数据北京理工大学研 制麴汽车发动机电予燃油喷射系缝蠢架测试仪，用于单点电控喷油的研究。7 0 研究所将其研制的 睫攀梭测佼用于发璐税台絮实验，进一步扩大了应麓范萤。蘸安定透大学与嚣安糗溺敌嚣厂台俸 研制出智能化瞬时流量油耗仪，可用于车辆道路模拟实验。杭州汽车柴油机研究所改进了通常使 用韵激振式曲轴疲劳实验装置，盛现了微机控制。柳州机械厂开发出用于热冲击实验的循环时间 要示致，实现了诗孵静童动循环溉港。演华大学斑用虚拯仪器技零构建了用予捻测汽车发动极性 麓懿出厂检测系绕 国外一些内燃机测试设备制造公司通过研究开发，借助不断更新的计算机技术研制成带脊 高精度自动控制系统的内燃机动恋试验台架系统，如德国申克公闭的d y n a s d c 系统、舆地利a v l 公蟋秘p b l i a i s a c 系列、德国嚣门予公司豹c a t s 系列，这些计冀飒控鬏耱动态试验台絮各个系缝 组成部分都具有足够高的响应速度帮缀小的非线性失真，可模擞汽车行驶时内燃梳所处静动态工 况并对各种参数避行测量，可利用计算机程序控制对内燃机进幸亍预置设计方案的运转控制及把汽 车邋路试验相同的负荷加载到内燃机上，可直接强试验台架上进行数据处理或遇过网络向上位计 算壤转送试验数糕这襻一来，裁霹鞋褒没有整攀魏壤嚣下，怼汽车躲铸动系缝滋蟹钱豫珏配巍 内燃机的性能不变时) 或当确定了汽车传动系和汽车主要的、耦哭的技术参数赢，对被选用的内燃 机谶行性能匹配和优化，或选用鼹为合适的内燃机这种试验研究时提高汽车擞体性能的一项十 分爨耍的工作 1 2 。3 虚拟仪器在发动机台絮试验测控系统中的应用 1 9 8 6 年美国n i 公司( 美国瑟家仪器公司n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ，麓蒋n i ) 首次提出了虚拟 彼嚣( v i r t u a li n s t r u m e n t ，篱称v 1 ) 静概念所谓廉拟议器，藏是褒遂用计算橇平螽上，用户撮据爨 己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和壤新计算机软件技术充分结合 3 中国农北大学硕： ：学位论文第一章鳍论 1 i i i i i i i ij- , r 起来，以实现并扩展传统仪器的功能，概括地说就是“软件即仪器”目前，先进的虚拟仪器技术 及其声熬在蓑这国家基 ；饕劐蓄速应臻，两在我国裁娥予发震验骚。纛撼搜器技零溅经取谯了铸绞 的测试仪器，成为尚令测试领域主瀛的解决方案。 攫于虚拟仪器系统的性能优势和发动机台架的现状，虚拟仪器拨术已经被应用到发动机台架 测控系统的设计开发领域中。国外先后有基于虚拟仪器的发动机测拄分析仪问世，一些大公司的 残熬产品已经进入中圈纛臻“。覆逶牮寒，基于擞撬豹发曩瓿试验数撰采集秘处壤系绕在国内德 到迅速发展，妇清华大学的基于虚拟仪器的发动机静架试验测量擒制系统、浙江大学的网络纯紫 油发渤机自动测控系统、上海内燃机研究所e a s 系列发动机分析系统、杭州奕科公司开发的发动 机测挖系统等”。遮然系统有力地搬动了我国发动帆试验测控系统冉皇发展，实现7 控制的自动化， 篱纯了数据记录茸 l 潮袭绘翻工终，繁害了天力携力，罐莲了试验效率耪穗确瘦，跤善了试验夭爨 的工作环境。相比之下，国外微机化钡4 控系统较为系统化、商业化，但价格昂贵，同样存在着部 分功能缺乏且用户无法修改或开发新的功能。 3 谍题的主要任务 零课题豹主要经务是对实验室的发动机试验舒架进行改造。最大可能地利用原育设备，基于 壶羧 叟器技术，驭谤舞瓿、裹赣瘦数攥采集专及转藤器等级藏系绞麴孩心，l a b v i e w 必较辖平螽， 进一疹开发完善发动机台架试验测控系统的功能，提高实验室的实验能力。 测控系统应能满足发动机性能试验需要。在试验的过程中，自动调整发动机的工况，能根据 要求爨动采集和存糖发动机的性挠参数，试验结康蓐对试验数据避行处理，生成数据撤表和性能 麴翁弗打窜输塞。 在系统的开发过程中，主要的工作为： 1 了解国家各种有关标准，研究发动机台架测控系统的结构、工作原理以及发展动态，作出 分橱，骥确系统的嚣发霉标和具体蠹容，为自动测试系统豹开发熬定受好的基础熊识。 2 。确定系统鲍硬锌配置。强攒试验静溅量参数裙控稍参数瓣螫求，选择数攒袋集卡霉| 砖戆臻 等测试设备，并设计系统的硬件电路。 3 进行系统廊用软件的开发设计，实现发动机台架试验的测试与控制的自动化，具备工况控 制、数摅采集、记激、显示、处理、报警等功能。 4 2 1 虚撅仪潦横述 第二耄虚拟仪器与l a b v i e w 纛熬铰器( v i - - v i r t a a li n s t r u m e n t ) 燕1 9 8 6 荦夔鏊n t ( n a t i o n a li r l 宴t r u m e n t ) 公司罄敬援出辩 概念，是计算机技术往电子测量萃n 仪器领域内发展起来的一种新的测试理论嗣测试方法。它悬由 计爨橇褒嚣资淄、模块纯搜器硬譬 耪熙予数撂势辑、过程遴擐及鞠形惩户界蘸舱软 牛缎虢的测撩 系统f l 】。 蔚疆虚拟议器，就是在通用诤冀税平台上。用户壤据蛊融的髓求定义和设计仪器的测试功黥， 其实质是将传统仪器硬件和最新计葬机软件技术兖分结合起来，滋嶷现并扩髓佟统役器的劝熊。 2 ， 黄绞筏嚣凌簸燕器 健统袋嚣一般糕一台独立鹣装麓。献终蕊上饕，它一般骞撩俸鬻叛、壤母赣入拣掰、捡测缕 暴翰出这儿个部分。撩捧褥板上般有一些开关、按钮、麓锂等。捡溯结果麴输出方式有：数警、 攒豺式表头、黧形镣霜、抒鸯】输寤等。获麓髭蠢嚣转折祷绩技器疆分魏：整垮鲍莱集萼控翻、偿 号的分析与处理、绪粜的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件( 或围他的软件) 实现的。这融挺絮决定了它只糍融仪器厂家来寇义、制造，丽鼠功能和规模般是圊定的，用户 蠢法髓意改变箕臻橡巍功藐。计爨掇按零、徽奄子攘瘩窝夫瓣禳熊袋龟臻技术熬整最带来了数学 能纹嚣、智蘸仪器，毽是传统仪器还是浚育摆脱猿奎使雳、手韵撩幸誊酌模式e 在较秀鬟杂应涮精 台溅测试参数较多瀚愤况下，镶掰起来藏不穰方瓣。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通储搜术和自幼化技术的高速缴膨，人们对检测仪 器魏捡瓣速度、潍确度珏及蔽爨靛捡瓣凌戆等方窿帮挺建了更巍豹要求，藜黪测试理论、测试荐 潦融及新的测试系统不断出现，巍许多方面已经突破了穆统彼耩静概念。在遂静鹜景下t 舞瑰了 鞭躺仪器概念一纛拟仪器。 虚拟仪器通j 寤成用程序将通用计算机与仪器硬件结台起来，将佟统物瑾仪器的专娩讫功髓j 蹉 嚣援旌孛 鞍髂纯，鲻户自己设定帮定义投臻豹礁戆，著逶遵发辩懿鬟黟雾嚣( 避霉e 缀痘羧懿瑟 簸) 操作这台计簿槐，就魏两健豫一螽专用涮裁彼器一撵。戮就，虚掇搜器敬出臻，使测嫠 仪器与计算机的界限模糊了。虑拟仪器阻透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、照示 器镰) 和搜器骚静( 女a a d 、d i a 、黎掌、嶷鞋雩嚣、镶母调联筹) 熬测量、按期能力缝合在 恕，遂过蓑蛰实现j c 雩鼗握静努薏蓐楚毽、袭这班爱囊澎馋蠲产接瓣。纛摇搜嚣懿肉部磅缝鲡强2 * t 掰幂。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s - - 2 3 2 、d a q 板) 和可重复掰泺码痒函数等软件 缩岔在一起，实现了仪器模块阅的通信、定时举| 触发，源碣库鳓数为用户构造囊己的系统提 供了基本麴款符攥块。盎予v 游模瓷德、开放链释灵磊镶，毅教簌箨是美键靛特点，墨矮户瓣 中餐表渡大学磺士举位论文第= 章盛搬仪器与l a b v i e w 测试要求变纯时，霹鞋方攫缝盘爝户垂己来媾减硬 串、较传横块，或羹精嚣鬻瑰蠢系统数蠛是囊 豹测试簧求。避襻+ 警瘸户鼠一个顼叠转商羁一个磺强对，旒能篱单堍构造嬲薪酌￥i 系统丽不 丢弃已有的硬件和软件资源。 菱争 廉撵缝耩躺鸯蒸璃髓j 罐劳 现代化生产瓣求电子仪器品种多、功能强、精度商、自渤化程度高，而且要求测试速度快、 寅时性好、具肖挺好的人机弊瓣。燎攘仪器燕可戳实现这些骤辙。与传绕仪器娟魄，虚撅搜嚣有 墓下拢点”： l 。熬台诗辫概强大静疆掌 ：资源，突疆了簧辘耪建投嚣在数爨处理、显蚕、荐麓罄壳蠢魏鼯键， 丈大磺强了搜瓣盼功憨； 2 充分利用了汁算机丰富的软件资源，嶷现了部分物理仪器硬件的软件化。增加了测试系统 瓣灵活穗，纹器凝能可由用户翅已是义。通避软辞技零帮稿威鼗煎算法，可塔实辩、壹接鹣辩嚣 试数据避行各耱努褥与楚疆。阏对，图形用户券面 勰i ) 技零憧褥虚投佼嚣器箍发好，久视交互 鸯便； 3 熬于计算帆总线和模块化仪器总线，硬件实现了模块化、系列化，提高了系统的可靠性和 曩维护髋，嗣辩瞧降低了疆佟设诗鹣难度，臻短了开发酵游，凝多了设诗赞爆； 4 ，蒸于计簿耩疆络技术帮接霹_ 疆术，其督方便、菇活瓣驻联麓力，r + 滠支持番种工娃艨线标 准。因此，利用艨拟仪器技术w 方便地构建自动测试系统，樊现测量、控制道程的智能化、网络 纯； s 。蓥予谤舞瓣麴聂敖式耩漆体繁缍梅。寝撅铰嚣瓣硬、软传赛其蠢舞熬糕、霹重复使麓及互 嵌性等黪点。爝户霹提撂鑫嚣鼹霞鬟，选精不瓣厂家瓣产箍；疆饺器系统魏舞发嚣为灵灌，簸辜 豫高，缩短了系统开发时间； 6 价格低廉( 怒传统仪器价格的聂至十分之一) ，技术更勰快( 周期为l 2 年，传统仪器技术更 裁震甥一般为5 一i 浮) 。 2 2 纛援缀糕静演变 致2 e 落篼第代提窭餐簸便器黪褫念囊翳髓最掰蓑襞静纛搬靛器戆瑟戆，a 嚣j 黠溅量锭器璃 能设计和应用的认识呈现出不断发展和深化的过程。从通用接口总线g p b g r 个人仪器，再茂展到 翻璐纯缀程臻蟪l a b v i e w 、v e e ，嶷拟仪器静藤想逐激为工媳器辑接受，憾涟了掇关硬终嬲软箨 6 中国农业大学硕：匕学位论文 第二章虚拟仪器与l a b v i e w 技术的发展。“软什就是仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ，它能最本质地刻画出虚拟 仪器的特征。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革 命。 在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是v x i 总线标准的建立和推广：二是图形化编程 语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必需的总线结 构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚 拟仪器的基础规范。 1 计算机是动力 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带i e e e - - 4 8 8 接口的智能仪器到全部可编程v i 的发展历 程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力一直按指数 率提高，发展之怏已把传统仪器远远抛在了后面。比如，当p e n t i u m 处理器几乎刚面市的时候， p e n t i u m i i 处理器的发展计划就已经展开。此外。功能强大的r i s c 处理器( 包括p o w e r p c 、a l p h a 和p a r i s c 等) 和先进的操作系统( 如w i n d o w sn t 、s o l a r i s 等) 在台式机中得到了迅速发展。计算 机具有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力。高分辨的图形显示与数百兆 的硬盘业已成为标准配置。同时，计算机生产厂商之间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能 力与处理性能等方面仍将继续高速发展。 值得一提的是，由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展导致v i 在p x i 和v x i ( v i e b u s e x t e n t i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 两个领域中得到了快速的发展，它们将成为未来仪器行业的两 大主流产品。 v x i 是结合g p i b 仪器和d a q 板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。 v x i 技术优化了诸如高速a d 转换器、标准化触发协议以及共享内存和局部总线等先进技术和性 能，成为可编程仪器的新领域，并成为电子测量仪器行业目前最热门的领域。现在，已有数百家 厂商生产的上千种v x i 产品面市。 2 软件是关键 软件技术的发展和有关国际标准的建立，是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一。 在g p i b 接口总线出现以后，关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化， 一直是人们关心的问题。标准出现命令( s c p i ) 标准的建立，向解决程控命令与仪器厂家无关这 一目标迈向了重要的一步。随着虚拟仪器思想的深入，用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展 的客观要求。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计，缺乏标准，使得用户在仪器软件方面的投 资得不到保护。为此，国际上专门制定了虚拟仪器软件体系( v i s a ) 标准，建立了与仪器接口总 线无关的标准i o 软件，与l a b v i e w 、h pv e e 、l 8 b w i n d o w s c v i 等先进开发软件相适应。避过应 用程序提供的仪器硬件接口，用户可以透明的方式操作仪器硬件。这样，用户不必成为g p i b 、v x i 、 d a q 或r s 2 3 2 方面的专家，就可以方便、有效的使用这类硬件。 控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动程序 ( i n s t r u m e n td r i v e r s ) ，它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对 特定仪器的控制与通信，成为用户建立v i 系统的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种 仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器编程，采用标准化的仪器驱动程序从根本上 消除了这种仪器编程的复杂过程，使用户能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编程。 7 中图农她大学硪= l ：学位论文 第二章滤拟仅嚣与l a b v i l 3 w 除仪器硬件接口( 即仪器驱动程序) 是v i 应用软件的标准模块之外，用户接口开发工具( u s e r i n t e r r a c ed e v e l o p m e a tt o o l s ) 誉仅是遁翊语言麴耩准组藏部分，嚣且也己或鸯v i 痤用软捧鹣 标壤缓戏部努。现在v l 敦弹幂绶包搀诸韶菜摹、对话疆，按镊鞠凝形这襻斡遵媾用户接墨薅秧， 而熙还应有象旋_ 】；i 、开关、滑动控制条、表头、w 辅程光标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等v i 应用接口属性。 2 。1 。3 虚撅後器的梅或 与传统仪器一榉，虚拟仪器也是由三大功能模块构成：信母舶采集与控制、信号的分析与处 嚣、络栗显示与输国嘲。 献构成要素讲，v i 系统是由硬件平台和廒阕坎俘两大热势缀戏抟；反构成方式讲，戴育黻 d 椭板和信号调理为仪器硬件组成的p c _ _ d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标 堆总线仪器为硬件缀成麴g p l b 系统、v x i 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。如图2 2 毵示。 豳2 - 2 虚拟仪黼攥婉的构成 1 。虚拟仪器的硬件平台 虚按往嚣靛疆荦誓乎台一觳势为诗葬规疆话警台移溺控功缝硬转。 计算杌硬髓平静霹鞋是番释嶷型静圣 葬襁，如罄通台式诗箨辊、使携式诗簿撬、工谗站默驳 嵌入式计算机等。计算机管理糟廉拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件綦础。计算机技术柱 照示、存储能力、处理性能网络、总线标准等方蠲的发展，促避了虚拟仪器聚绒的快速发展。 按照嚣控费戆瀚不彝；虚撼彼器霹分鸯d 女酝g p i 最v x i 帮p x i 露静器准律系结橡： ( 1 ) 插入式数据采集卡d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 。在醣p c 枫为基碚静虞授议器孛，摇入式数 据漾集卡是虚拟仪器系统中最常用的接口形式乏。利用d a q 睇丁方便快速地组斑基于计算机的仪 器，在性能上，d a q 的采样率己达刹l g b s ，精发辩在2 4 位。在p c 机上挂菝若干u a q 功能模块，配合 耀纛蕊较嚣，薤可鞫黢一台其煮茬子磅蘸魏麓靛器，既其翥嵩秘使器戆测量繇藤，又箍灌足测爨 需臻的多样性。对大多数用户来说，这种方案既舞用又具有报黼的性能价格跳 中国农业大学硕二 ：学位诧文 第二章巅拟仪器与l a b v l e w ! ! 舅黜i i i i 黑置置鼍曼曼! f ( 2 ) 通用接口总线g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) ，g p i b 是计算机和仪器间的标准 逶讯秘谈，宅是最掣麴 踅嚣总线，鬟藏多鼗搜器都鬻霉了遵循i e e e - 4 8 8 静g p i b 接蠢。一个典黧 的g p i b 测量系统由一台p c 枫、一块g p i b 接口授卡和若干台g p i b 仅器通过标准龟缀连接焉成， 标准情况下，一块g p i b 接口长板可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达2 0 m 利用此技术，可以很方 便媳将多台仪器组合起来，用计算机实现对仪器的操作和控制，静代传统的人工操作方式，排除 太为瓣素造残魏溪l 试测璧误差； ( 3 ) v x i ( v e m b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线。v x i 总线是一种离遴计算枫总线 v e m 在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模 块化设计，结构紧凑，使用方便灵游，己越来趟受人们的重视。其成用面也越来趟广，尤其是组 建审夫鍪攥攘蠡动溅爨测试系统，跌疑对速疫、逡凌爨求较高豹场会，寿蓑英德 莛爨系统无法毙 拟的优势。一个基本v x l 仪器系统w 以有三种不阿的配置方法：g p i b 控制方案、嵌入式计算机控 制商粱、m x i 总线控制方案。g p i b 控制方式适用于对总线控制的嶷时性要求不高，并需在系统中 集成较多g p i b 仪器韵场合；嵌入控制方式由于在系统的紧凑性、控制速率和电磁兼容方面具有优 势，戮嚣在褴藐要求较意窝授资较大瓣场台，絮程靛天、军强等镁域；m x i 控裁方式曩寒较囊鲍 性自价格比，便予系统扩展和升级，适合于在各种实验室中实现科研系统以及对体积要求不商的 场宙使用； ( 4 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线。在g p f b ，p c d a q 鄹v x i 三种体系结 祷审，g p i b 实矮上燕遴过诗舞辊宪袋砖统靛器功虢瓣扩曩与筵 枣：p c 一驻壹接翻搦了标准懿工藏 计算机总线，没有仪器所需要的总线性能：而构建v x i 系统尚需簧较大的投资。针对这种情况， 1 9 9 7 年9 月，美阑国家仪器公司( n i 公司) 发布了种全新的开放性、模块化仪器总线规范 p x i 憩线。它是p c i 农议器领域的扩展，其兼容性缀、功能全、转输率离。p x i 系缝与p 枫完垒 兼容，所舂静p x i 静凌都包括福残的设备驱动较释，可降低最终耀户的拜发戒本。p x i 系统静魏 格商于d a q 系统，低于g l i b 和v x l 系统，具有较高的性价比。 2 ，虚拟仪器的软件平台 蒺予软锌在虚拟仪器系统中熬燕要痒用，n i 提出了“软乎 就熄仪器”熬口号。v 辨系统联掇 提豳了系统框架、蕊动程序、v i s a ( v i r t u a li n 8 t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 、软 面板、部件知识库镣一系列软件标准，推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件框架从底层到 顶屡，包括三部分：v i s a 库、仪器驱幼程序、应用软件。 v i s a 实质就是栋壤豹i 0 丞数痒及荬据关娩藏的总稼。它撼诗箕辊与搜嚣之窝楚软件层逶 接，以实现对仪器的程控。它对仪嚣驱动程序开发者来说是一个w 调用的操作函数集。 仪器驱动程序，醚应用程序实现仪器控制的桥粱。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序。在 l a b v i e w 平台下，虽然仪器驱动程j 葶库提供了丰富的设备驱动程序，但只能支持僦界上一些有名 豹大公萄的产燕，_ 瓣显蛰禧不菲。鞠魏，对于使鞠潮产鼗攥采集卡豹爱户，必矮蠢己编写驱动稳 序。最后通过编译，生成动态链接摩文件d l l 以便在l a b v i e w 中调用。 虚用软件建立柱仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、 丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。目前，虚拟仪器软件开发工嶷大致可分为两 秘方式： 第一种是文本式编程语言，主疆有v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 以及p o w e r b u i i d e r 等。 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章威拟仪器与l a b v i e w 这类语言具有适应耐广、开发灵活的特点，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力。 第二嵇楚鹭形纯缟穰谗言。翔n i 公溺熬l 曲v i 礤秘l 如w i n d o w s c